北京2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)地下管廊滲流分析*

方 坤，毛宗原，郭 豪，高識(shí)涵

(1.清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084； 2.中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013)

1 工程概況

北京2022年冬奧會(huì)延慶賽區(qū)位于北京市延慶區(qū)小海坨山南麓，將在此建設(shè)國(guó)家高山滑雪中心、國(guó)家雪車雪橇中心兩個(gè)競(jìng)賽場(chǎng)館和延慶冬奧村、山地新聞中心兩個(gè)非競(jìng)賽場(chǎng)館。延慶賽區(qū)地下綜合管廊里程長(zhǎng)達(dá)7.9km，系我國(guó)首次在山嶺隧道中建設(shè)的大落差大坡度綜合管廊，是延慶賽區(qū)造雪用水、生活用水、再生水、電力、電信及電視轉(zhuǎn)播信號(hào)等的接入通道。該管廊沿線經(jīng)過Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類圍巖區(qū)，并發(fā)育有多個(gè)斷層，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，若不采取合理滲控措施，施工期和運(yùn)行期廊道內(nèi)滲漏量將難以控制，一方面增大了管廊施工和運(yùn)行的安全隱患，另一方面將造成上方山體地下水位下降，影響山體地表植被發(fā)育和周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

雖然現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對(duì)地下管廊的滲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)給定了相關(guān)設(shè)計(jì)方法和參數(shù)，但只做了定性分析或給定了上下限，仍需設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)際細(xì)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，且對(duì)于設(shè)計(jì)方案的防滲效果缺乏定量化描述。本文從數(shù)值計(jì)算角度，選擇地質(zhì)條件復(fù)雜的3+810斷面，復(fù)核該斷面原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)的合理性，并對(duì)固結(jié)灌漿和襯砌內(nèi)排水進(jìn)行敏感性分析，最后優(yōu)化原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)，在保障工程施工和運(yùn)行安全的前提下減少工程投資和運(yùn)營(yíng)成本，并減輕因地下水位下降對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成的不利影響。

2 地質(zhì)條件與滲流模型

2.1 地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)斷面

3+810斷面所在地貌單元屬于中低山及山間谷地，管廊埋深13m，地質(zhì)條件較差，管廊周邊范圍內(nèi)圍巖巖性均為Ⅳ類花崗巖，上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層，右側(cè)斜穿1個(gè)軟弱夾層，厚度1m，角度70°，巖性為Ⅳ類構(gòu)造角礫巖。

管廊斷面為城門洞型，施工完成后寬7.8m，豎直段側(cè)壁高5.6m，頂拱高1.5m，混凝土襯砌厚度0.55m。

2.2 滲流模型

根據(jù)本斷面的巖體結(jié)構(gòu)和本工程的滲流特性，本次計(jì)算采用ANSYS建立二維斷面模型，采用清華大學(xué)水利水電工程系自開發(fā)的滲流計(jì)算軟件Geoseepage進(jìn)行滲流分析計(jì)算，采用Tecplot作為主要后處理工具。

模型計(jì)算范圍長(zhǎng)寬取為：78m×53m(長(zhǎng)×寬)，管廊底高程30.000m，底部邊界高程0.000m，左右邊界距管廊側(cè)壁35m。模型材料包括山體、固結(jié)灌漿體和混凝土襯砌3大類，其中山體和固結(jié)灌漿體按風(fēng)化程度進(jìn)一步細(xì)分為沖洪積層、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化和新鮮基巖4小類，計(jì)算單元的劃分主要考慮風(fēng)化分界線、斷層、固結(jié)帷幕和結(jié)構(gòu)混凝土。整個(gè)模型劃分為15個(gè)分區(qū)，3 632個(gè)節(jié)點(diǎn)和6 949個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 滲流模型

按地勘資料將以上15個(gè)材料分區(qū)劃分為11種不同滲透系數(shù)的單元，單元位置信息如圖2所示。

圖2 單元位置信息

按從上到下、從左到右的分區(qū)順序，計(jì)算模型各單元經(jīng)率定后的水文地質(zhì)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 單元材料分區(qū)及滲透系數(shù)

根據(jù)地勘資料，模型邊界條件規(guī)定如下：左側(cè)水頭邊界49m，左側(cè)水力梯度邊界0.01，右側(cè)水頭邊界44m，右側(cè)水力梯度邊界-0.01，廊道不間斷抽水，襯砌內(nèi)排水正常，以保持廊道表面不積水狀態(tài)(廊道底高程)。

3 滲流計(jì)算分析

本次滲流計(jì)算的目的為分析在不同固結(jié)灌漿透水率、厚度、不同排水效果等工況下，管廊滲流場(chǎng)、滲流量、襯砌外水壓力和管廊頂最大水位降幅的變化規(guī)律，為后續(xù)的方案優(yōu)化和運(yùn)行期工程安全及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供評(píng)價(jià)依據(jù)。本次計(jì)算主要考慮方案如下。

1)原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)處理方案。

2)固結(jié)帷幕敏感性分析，包括透水率敏感性和厚度敏感性兩類。

3)襯砌內(nèi)排水敏感性分析。

3.1 原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)

原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)方案為：對(duì)廊道周壁3m范圍內(nèi)的巖體(包括斷層)進(jìn)行固結(jié)灌漿，要求達(dá)到透水率3Lu。在混凝土襯砌內(nèi)布置排水管，將水排出管廊。模擬得到滲流場(chǎng)分布云圖如圖3示。

圖3 原設(shè)計(jì)方案滲流場(chǎng)分布云圖

整理滲流量、襯砌外水壓力和廊道頂?shù)叵滤唤捣绫?示。

表2 原方案滲流量及襯砌外水壓力

分析圖3、表2可知。

1)進(jìn)入地下管廊的滲流量為3.0m3/d，相對(duì)較小，可采用排水溝導(dǎo)出，管廊內(nèi)滲水問題不嚴(yán)重。

2)管廊上方出現(xiàn)較大范圍的地下水位降落漏斗，半徑65m，最大水位降幅出現(xiàn)在管廊正上方，地下水埋深從4.6m變?yōu)?.8m，水位降幅2.2m，作用在洞壁襯砌處的外水壓力相應(yīng)減小為69kN/m。地下水位降落漏斗雖然水位降幅較小，但半徑范圍較大，對(duì)地表植被生態(tài)將造成一定的不利影響。

3.2 固結(jié)灌漿敏感性分析

3.2.1透水率敏感性

根據(jù)SL62—2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》，水工建筑物水泥灌漿透水率應(yīng)控制在3～5Lu，為分析其敏感性，在此范圍內(nèi)選擇2種透水率(規(guī)范下限3Lu，上限5Lu)，其余設(shè)計(jì)條件按原設(shè)計(jì)方案，對(duì)管廊滲流場(chǎng)和滲出量的敏感性進(jìn)行計(jì)算分析。模擬得到各透水率情況下滲流量、襯砌外水壓力和廊道頂?shù)叵滤唤捣绫?所示。

表3 灌漿透水率敏感性分析

1)當(dāng)固結(jié)灌漿透水率要求從3Lu放寬到5Lu后，進(jìn)入地下管廊的滲流量由3.0m3/d增加到5.1m3/d，增加比例為66.7%，但增加絕對(duì)值相對(duì)較小，管廊內(nèi)排水溝可順利導(dǎo)出，管廊內(nèi)滲水問題不嚴(yán)重。

2)當(dāng)固結(jié)灌漿透水率要求從3Lu放寬到5Lu后，管廊上方地下水位降落漏斗的半徑范圍變化不大，最大水位降幅出現(xiàn)在管廊正上方，地下水埋深變?yōu)?.4m，水位降幅2.8m(增加27.3%)，作用在洞壁襯砌處的外水壓力相應(yīng)增加為87kN/m(增加27.5%)。

3)總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)固結(jié)灌漿透水率要求從3Lu放寬到5Lu后，滲流量、管廊襯砌外水壓力和管廊上方地下水位降幅的增量有限，可考慮放寬固結(jié)灌漿透水率要求至5Lu。

3.2.2厚度敏感性

原設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿厚度為3m，為分析其敏感性，分別計(jì)算無(wú)固結(jié)灌漿、3m厚及6m厚固結(jié)灌漿3種工況的滲流情況(其余設(shè)計(jì)條件按原設(shè)計(jì)方案)。

模擬得到滲流場(chǎng)分布云圖如圖4所示。整理滲流量、襯砌外水壓力和廊道頂?shù)叵滤唤捣绫?所示。

圖4 0，6m灌漿厚度滲流場(chǎng)分布云圖

表4 灌漿厚度敏感性分析

分析以表4，圖4可知。

1)當(dāng)固結(jié)灌漿厚度從3m縮小到0m(即不灌漿)后，進(jìn)入地下管廊的滲流量由3.0m3/d急劇增加到20m3/d，增加比例為567%，管廊內(nèi)滲水問題將非常嚴(yán)重。地下水位降落漏斗半徑范圍和最大降幅也迅速擴(kuò)大，管廊頂部地下水已完全疏干，將對(duì)地表植被生態(tài)將造成嚴(yán)重影響。

2)當(dāng)固結(jié)灌漿厚度從3m增加到6m后，進(jìn)入地下管廊的滲流量由3.0m3/d減少到2.2m3/d，減少比例為36.4%，但減少絕對(duì)值相對(duì)較小。襯砌外水壓力減小比例10%，最大地下水位降幅減少0.9m，減少比例41%。

3)總體來(lái)說(shuō)，固結(jié)灌漿是減少滲流量和降低地下水位漏斗范圍及最大降幅行之有效的手段。6m厚度固結(jié)灌漿方案可有效降低最大地下水位降幅。

3.3 襯砌內(nèi)排水敏感性分析

考慮襯砌內(nèi)排水堵塞失效的極端工況，其余設(shè)計(jì)條件按原設(shè)計(jì)方案，對(duì)排水系統(tǒng)作敏感性分析如表5、圖5所示。

表5 排水敏感性分析

圖5 排水堵塞時(shí)滲流場(chǎng)分布云圖

分析可知：襯砌內(nèi)排水失效后，地下水位不出現(xiàn)降幅，不形成降落漏斗，滲流量也減少到可忽略的水平。但襯砌外水壓力急劇增加，增加比例為119%，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定非常不利。

4 結(jié)語(yǔ)

1)原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)的滲流場(chǎng)和進(jìn)入地下管廊的滲流量在可控范圍內(nèi)，滲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體合理可行。原設(shè)計(jì)滲控系統(tǒng)存在一定范圍的地下水位降落漏斗，最大地下水位降幅將對(duì)地表植被產(chǎn)生一定影響，有一定優(yōu)化空間。

2)滲控系統(tǒng)對(duì)固結(jié)灌漿質(zhì)量的敏感度較低。建議固結(jié)灌漿透水性指標(biāo)從規(guī)范下限(3Lu)放寬到規(guī)范上限(5Lu)，以減小工程投資和施工難度。

滲控系統(tǒng)對(duì)固結(jié)灌漿厚度的敏感度較大。原設(shè)計(jì)3m基本可行，但為了更好地保護(hù)地表植被生態(tài)，可考慮擴(kuò)大為6m。

3)滲控系統(tǒng)對(duì)排水敏感性高，一旦排水發(fā)生堵塞，將引起地下管廊襯砌外水壓力急劇增大，從而造成襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，應(yīng)引起足夠重視，防止排水堵塞，如排水管段縱橫向互相連通、加強(qiáng)水位監(jiān)測(cè)等措施。